Nghiên cứu hệ thống điều khiển áp suất hơi trong ngành kỹ thuật

Hệ thống điều khiển áp suất hơi được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy điện, nhà máy hóa chất, ngành công nghiệp thực phẩm (đường, rượu, bia, nước giải khát), dệt may, và chế biến nông sản. Áp suất hơi ổn định đảm bảo hiệu suất và chất lượng của các quy trình sản xuất khác nhau. Sai lệch áp suất có thể dẫn đến giảm hiệu suất, sản phẩm không đạt yêu cầu, thậm chí gây nguy hiểm cho thiết bị và con người.

Một hệ thống điều khiển áp suất hơi điển hình bao gồm: Cảm biến áp suất (đo áp suất thực tế), Bộ điều khiển (xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển), Van điều khiển (điều chỉnh lưu lượng hơi hoặc nhiên liệu), và các thiết bị phụ trợ khác (bơm, bộ lọc, v.v.). Sự phối hợp nhịp nhàng giữa các thành phần này quyết định khả năng duy trì áp suất hơi ổn định.

Mối quan hệ giữa lưu lượng nhiên liệu, lưu lượng nước cấp, và áp suất hơi thường không tuyến tính. Điều này gây khó khăn cho việc thiết kế các bộ điều khiển tuyến tính truyền thống. Sự thay đổi nhỏ trong lưu lượng nhiên liệu có thể dẫn đến sự thay đổi lớn trong áp suất hơi, đặc biệt khi lò hơi hoạt động gần giới hạn công suất.

Nhu cầu sử dụng hơi thay đổi liên tục, tùy thuộc vào các quy trình sản xuất. Sự thay đổi tải này tác động trực tiếp đến áp suất hơi. Khi nhu cầu hơi tăng, áp suất có xu hướng giảm, và ngược lại. Hệ thống điều khiển phải phản ứng nhanh chóng để bù đắp cho những biến động này và duy trì áp suất ổn định.

Nhiệt độ, độ ẩm môi trường, cũng như chất lượng nhiên liệu đầu vào cũng tác động đến áp suất hơi. Các thông số này thay đổi ngẫu nhiên, khó dự đoán, làm tăng thêm độ phức tạp cho bài toán điều khiển.

Bộ điều khiển PID tính toán tín hiệu điều khiển dựa trên ba thành phần: Tỷ lệ (Proportional), Tích phân (Integral), và Vi phân (Derivative). Thành phần tỷ lệ phản ứng tức thời với sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực tế. Thành phần tích phân loại bỏ sai số tĩnh. Thành phần vi phân dự đoán xu hướng thay đổi của sai lệch và đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp.

Điều khiển PID đơn giản, dễ hiểu và dễ cài đặt. Nhiều bộ điều khiển PID thương mại có sẵn trên thị trường. Với việc tinh chỉnh phù hợp, điều khiển PID có thể đáp ứng yêu cầu điều khiển trong nhiều ứng dụng điều khiển áp suất hơi. Ngoài ra, chi phí đầu tư cho điều khiển PID thường thấp hơn so với các phương pháp điều khiển tiên tiến khác.

Điều khiển PID khó tối ưu hóa cho các hệ thống phi tuyến tính và các hệ thống có thời gian trễ lớn. Việc tìm kiếm các tham số tối ưu cho bộ điều khiển PID có thể tốn thời gian và công sức. Trong một số trường hợp, điều khiển PID có thể không đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác và tốc độ đáp ứng.

Điều khiển mờ sử dụng các tập mờ để biểu diễn các biến ngôn ngữ (ví dụ: áp suất cao, áp suất thấp). Các luật mờ được sử dụng để ánh xạ giữa các biến đầu vào và biến đầu ra. Bộ giải mờ chuyển đổi tín hiệu mờ thành tín hiệu điều khiển rõ ràng. Kỹ thuật lai kết hợp điều khiển mờ với các phương pháp điều khiển khác (ví dụ: PID) để cải thiện hiệu suất.

Điều khiển mờ lai có thể điều khiển các hệ thống phi tuyến tính và các hệ thống có độ trễ lớn một cách hiệu quả. Nó có khả năng thích ứng cao với các thay đổi trong hệ thống và môi trường. Điều khiển mờ lai có thể được thiết kế dựa trên kinh nghiệm của người vận hành, ngay cả khi không có mô hình toán học chính xác của hệ thống.

Quá trình thiết kế hệ thống điều khiển mờ lai bao gồm các bước: Xác định các biến đầu vào và đầu ra, Xây dựng các tập mờ cho các biến, Xác định các luật mờ, Lựa chọn phương pháp giải mờ, và Tinh chỉnh các tham số của bộ điều khiển. Các công cụ mô phỏng (ví dụ: MATLAB) có thể được sử dụng để kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế.

Mô phỏng hệ thống điều khiển mờ lai sử dụng các phần mềm chuyên dụng giúp đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển trước khi triển khai thực tế. Quá trình mô phỏng bao gồm: Xây dựng mô hình lò hơi, Thiết kế bộ điều khiển mờ lai, và Chạy mô phỏng với các kịch bản tải khác nhau. Kết quả mô phỏng giúp tinh chỉnh các tham số của bộ điều khiển và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình lò hơi tại Trung tâm Thí nghiệm – Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên cho thấy bộ điều khiển mờ lai có khả năng duy trì áp suất hơi ổn định hơn so với bộ điều khiển PID truyền thống. Thời gian đáp ứng của hệ thống cũng được cải thiện đáng kể. Các kết quả này chứng minh tính hiệu quả của phương pháp điều khiển mờ lai trong điều khiển áp suất hơi.

Kết nối các cảm biến áp suất, van điều khiển, và bộ điều khiển với mạng internet cho phép giám sát và điều khiển hệ thống từ xa. Dữ liệu thu thập được từ các cảm biến có thể được sử dụng để phân tích và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Hệ thống cảnh báo sự cố có thể được triển khai để phát hiện và ngăn chặn các vấn đề trước khi chúng xảy ra.

Các thuật toán học máy có thể được sử dụng để dự đoán nhu cầu hơi và tối ưu hóa hoạt động của lò hơi. AI có thể giúp điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển một cách tự động, dựa trên dữ liệu thực tế. Hệ thống chẩn đoán lỗi dựa trên AI có thể giúp phát hiện và khắc phục các sự cố một cách nhanh chóng và hiệu quả.